[发明专利]一种基于低轨卫星网络的容迟/容断网络路由计算方法

权利要求书

1.一种基于低轨卫星网络的容迟/容断网络路由计算方法，其特征在于：包括以下步骤：

A、构建卫星DTN网络系统模型

基于网络中所有节点间的接触关系，建立接触图模型，令G＝(V,E)代表卫星DTN网络，其中节点集合V为卫星和地面站网络节点的集合；边集E为星间链路、星地链路通信链路的集合；对每条接触e∈E都用cp_e(t)表示每条接触的接触时间段集合，即：

其中表示当前链路的第i次接触机会的开始时间，表示当前链路的第i次接触机会的结束时间；定义一个参数RC_e(t)∈R⁺∪{+∞}表示接触的当前剩余容量；此外，由于DTN网络中每个节点的资源都是有限的，所以对于每个v∈V，用buf(v,t)∈R⁺∪{+∞}表示t时刻节点v的剩余缓存大小；

B、计算排队时延影响下的链路时延

链路时延包括以下三种综合时延：

B1、传输时延：消息从开始发送到完全进入链路之间的时间间隔；消息的估计容量消费ECC定义为消息的大小和估计的总体聚合层消费总量之和；则传输时延从下式获得：

其中，Rate(e)表示链路的速率，假设它是一个恒定值；

B2、传播时延：消息在通信链路中传输所需要的时间；卫星网络中，总的通信链路长度为所有参与通信过程的星间、星地通信链路长度的和；两颗卫星之间的距离关系，通过瞬时地心角和卫星的轨道高度计算得到，而瞬时地心角的计算方法如下：

α＝arccos[sinα₁sinβ₁+cosα₂cosβ₂cos(α₁-α₂)] (2)

(α₁,β₁)、(α₂,β₂)为两个卫星星下点的经纬度；星间距离计算公式如下：

其中R表示地球的半径，H₁表示卫星A的高度，H₂表示卫星B的高度；把瞬时地心角代入公式(3)，求出两颗卫星之间的距离；

链路长度之和L_sum为：

L_sum＝∑L_i,i＝1,2,3…n (4)

其中L_i表示消息经过各条链路的长度，其中n∈N⁺；则传播时延为

t_pro＝L_sum/C (5)

其中，C表示光速；

B3、排队时延：从接触有效到该消息开始传输这两颗卫星之间的时间间隔；定义一个排队因子que确定刚到达的消息在节点队列中的位置，该排队因子que综合考虑消息的优先级、ECC、传播时延、传输时延和剩余生存时间；

其中，t_tra和t_pro分别表示传输时延和传播时延，T为时间常数；在仿真部分，设置ECC服从参数为K的泊松分布，即：ECC～P(K)；Prio表示消息的优先级，共有三种优先级：分别是bulk、standard和expedited，分别表示大宗、标准和加快；Sur(t)表示当前消息的剩余生存时间，DTN中每个消息发送时都定义一个消息生存时间TTL，所以Sur(t)定义为：

Sur(t)＝TTL-(t-t_create) (7)

其中，t为当前时刻，t_create为消息的创建时刻；式(6)中系数w_i表示优先级、ECC、传播时延、传输时延和剩余生存时间的权重系数，采用层次分析法AHP计算权重系数，i＝1、2、3、4；由决策人给出相对重要性，用α_pq表示属性p和q的相对重要性，即，把它当作属性p的权重w_p和属性q的权重w_q两者的比值，α_pq＝w_p/w_q；用n个目标进行两两比较所得到的结果组成判断矩阵A：

则有(A-nI)w＝0，其中I表示单位判断矩阵，如果估计的比较准确，那么上式就为0；如果估计的没那么准确，那么A中元素但凡有小的摄动，本征值也会随之产生小的摄动，因此得到：

Aw＝λ_maxw (9)

式(9)中λ_max表示的是判断矩阵A的最大本征值，根据该式计算出的本征向量，也就是代表n个参数权重的向量w＝[w₁,w₂,…,w_n]^T的值；

为了衡量判断矩阵A的准确性，引入一个一致性比率CR，一致性比率CR等于一致性指标CI除以随机指标RI，CR的值用于衡量判断矩阵A的可靠性；

如果CR＞0.1，说明对于各元素α_pq估计的一致性太低，需要重新进行估计；如果CR＜0.1，为α_pq的估计基本一致，用式(9)求得w；

当有消息到达节点时，使用式(6)计算、更新所有消息的排队因子que，把新消息插入队列的适当位置；然后就计算消息的排队时延：

其中，Q(e,t,u)表示时刻t排在此消息之前的所有消息的ECC之和；

C、计算接触剩余容量

在步骤A建立的模型中，定义Q(e,t,s)为本地节点s在时刻t获取的接触e源端的队列长度，即为时刻t在节点s队列中存储的所有消息的ECC之和；t_residual(e)为接触e的剩余时间；m为当前传输的数据大小；

假设当前网络中有一个节点u经接触e发送消息给节点v，接触e的传输速率为Rate(e)，设当数据到达节点u时，接触e还没有结束，即那么：

RC_e(t_arrival(u))＝Rate(e)*t_residual(e)-Q(e,t_arrival(u),u) (12)

其中，和分别表示接触e的第i次接触机会的开始时间和结束时间；

发送节点传输消息时，综合考虑当前队列中长度Q(e,t,s)、时刻t与接触机会的容量、剩余容量的关系：

C1、如果消息传输时，接触还没有开始，则需要计算下一个接触的容量，如果够用，则等待接触开始，反之则考虑再下一个接触机会；

C2、如果消息传输时，接触已经开始，则需要计算当前接触的剩余容量RC_e(t)，如果够用，则发送消息，反之则考虑下一个接触机会；

D、计算路由

利用接触的时变代价计算最优路径，具体计算方法如下：

其中w(e,t)表示消息在时刻t沿接触e发送的代价，除了和接触、时间有关外，还与当前消息大小和本地节点有关；所以代价函数又写为：

w(e,t)＝w′(e,t,m,s)

其中m为消息的大小，s为开始迪杰斯特拉dijsktra算法的节点；其计算方法为：

w′(e,t,m,s)＝t′(e,t,m,s)-t+d(e,t) (13)

其中，

上式中的t′表示将消息m沿接触e注入到网络中的最早时间，d(e,t)为传输时延函数；

E、更新优化路由

设定一个消息路径更新因子β，定义为队列中当前消息的排队时延与当前接触有效时间的比值，即：

设定一个路由更新阈值λ，优化路由更新策略；根据消息路径更新因子β不同取值，采取不同的路由更新方案，具体方案如下：

E1、当β＞λ时，需要更新消息的排队时延并重新计算消息转发的下一跳节点；

E2、当β≤λ时，仍然按照之前计算好的下一跳节点进行转发。